大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合地层设计关键技术研究

伊兴芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津　300142)



大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合地层设计关键技术研究

伊兴芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津300142)

摘要：大西客运专线干庆隧道通过我国中西部地区广泛分布的第四系、第三系等新生代地层,此套地层以粉质黏土、砂层、黄土为主,地层分布随机,且砂层富含上层滞水性质囊状水,在施工过程中多次涌砂涌水。针对大断面客运专线隧道穿越第三系富水复合地层施工技术难题,研究提出隧道掌子面稳定措施和超前预加固措施,有效解决涌砂涌水问题,确保施工安全。

关键词：客运专线铁路；铁路隧道；复合地层；超前预加固

在隧道建设过程中，软弱围岩一直是隧道界比较关注的重点和难点，关宝树等系统阐述了软弱围岩的内涵及其特性，提出了软弱围岩隧道变形控制的基本理念和措施[1]。大西客运专线干庆隧道通过第三系粉质黏土、粉细砂、第四系黄土复合富水软弱围岩地层，该套地层岩性分布随机性较大，难以掌握规律，地下水特性也无定性的规律，出水部位不定，出水量时大时小，极易引发涌水涌砂，对隧道施工带来极高的安全风险。

1工程概况

干庆隧道全长6 693 m，洞身穿越地层为第四系上更新统(Q3)新黄土、粉砂，中更新统(Q2)老黄土、粉砂；第三系上新统(N2)粉质黏土、细砂、粉砂、圆砾土，局部夹砂岩，不同地层间结合差。隧址区地下水按赋存条件为第四系孔隙潜水、第三系上层滞水性质囊状水。其中第四系孔隙潜水主要赋存于第四系松散层中，主要富水层为碎石类土及砂类土，在黄土与下伏地层接触带附近存有少量上层滞水，水位随季节的变化而变化；第三系上层滞水性质囊状水，赋存于第三系砂类土、碎石类土以及半胶结砂岩裂隙中，受地层复合程度影响，差异性大，分布极不均匀。

受地下水的影响，砂层灵敏度变高，触变性增强，施工中一旦隔水层被揭穿，打通地下水力联系，地下水的运移路径发生变化，动水可诱发砂层和粉质黏土等围岩失稳，极易涌水、涌泥、涌砂。

2软弱富水复合地层隧道设计

针对该隧道复杂的地层结构，结合实际工程情况，提出了超前预注浆与超前预加固咬合桩两种设计方案，分别应用干庆隧道2号斜井小里程端、3号斜井大里程端掌子面，通过对比分析研究软弱富水复合地层隧道修建关键技术。

2.1超前预注浆

2号斜井小里程端开挖揭示地层为拱顶及上台阶为细砂层，中台阶为粉质黏土，下台阶为细砂层。砂层与黏土结合处渗水量较大，伴有涌水及涌砂现象；粉质黏土遇水软化，强度降低较多，手捏呈软塑状。不同地层间结合差，开挖时易涌水涌砂，施工安全风险较大。根据开挖揭示涌水量及地层情况，设计采用了超前周边预注浆加固措施[2]。

2.1.1超前周边注浆(图1～图4)

(1) 隧道拱部160°外轮廓4 m范围采用超前周边注浆。每一循环注浆长度为25 m，开挖20 m，并保留5 m止浆岩盘。

(2)单孔注浆浆液扩散半径2 m，孔底平面间距约3 m，每循环共设3环33个注浆孔。

(3)注浆孔开孔直径不小于110 mm，终孔直径不小于91 mm；孔口管采用φ108 mm，壁厚5 mm的热轧无缝钢管，管长3 m，孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆措施。

(4)钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工。采用后退式，先钻孔后注浆；如果成孔困难，可采用前进式注浆。

图1　超前周边注浆纵断面(单位：cm)

图2　超前周边注浆A-A孔口布置示意

图3　超前周边注浆B-B孔口布置示(单位：cm)

图4　超前周边注浆C-C孔口布置示意(单位：cm)

2.1.2超前管棚支护

超前周边注浆结束后，拱部140°范围采用φ108 mm大管棚超前支护[3]，管棚长10 m，纵向搭接长度不小于3 m，环向间距30 cm，管棚间采用小导管超前注浆，小导管长4 m，环向间距30 cm，纵向间距2 m，倾角10°～15°。

2.1.3掌子面稳定措施

为稳定掌子面，掌子面采用玻纤锚杆加固。玻纤锚杆垂直于掌子面打入，锚杆长度为12 m，锚杆横向间距1 m，竖向间距1 m。沿隧道纵向，每8 m一环，搭接长度4 m。

2.2超前预加固咬合桩

3号斜井大里程端现场开挖揭示地层为上、中台阶为粉细砂，下部为老黄土。粉细砂层稍湿，颗粒较均匀，呈松散结构；老黄土含少量钙质结核，局部夹砂层，遇水易软化。本段地层主要特点是开挖漏砂涌砂严重，在掌子面拱顶上方易形成漏斗状空洞，难以形成有效的作业空间，施工风险极高。为有效防止漏砂涌砂及控制沉降，设计采用超前预加固咬合桩支护措施[4]。

2.2.1超前预加固咬合桩设置要求

隧道拱部160°范围采用超前预加固桩对周围土体进行加固，超前预加固桩长度为15 m，桩径600 mm，桩间距为400 mm，每循环搭接长度3 m；成桩体达到的抗压强度5.0～8.0 MPa；为提高超前预加固咬合桩抗剪强度，采用拱部120°超前预加固咬合桩内插φ89 mm钢管提高强度[5-6]，φ89 mm钢管环向间距80 cm。洞内超前预加固咬合桩布置如图5所示。

图5　洞内超前预加固咬合桩布置(单位：cm)

2.2.2掌子面稳定措施

掌子面为确保稳定采用超前预加固桩进行加固，掌子面超前预加固桩按水平方向打设，长度为12 m；一般按隧道断面等腰三角形布置，间距2 m×2 m。

3软弱富水复合地层隧道关键技术

软弱富水复合地层隧道修建核心技术在于掌子面稳定性与超前预加固措施，同时加强锁脚，及时封闭成环对于控制大变形有明显的效果[7]。

3.1稳定掌子面措施

铁路隧道建设中常规控制掌子面稳定主要措施是掌子面预留核心土、掌子面挂网喷混凝土封闭等，仅适用一般土质地层及破碎岩质地层。对于第三系软弱富水复合地层一般掌子面稳定措施很难确保正常施工，而且在动态开挖过程中极易诱发大规模涌水涌砂，为确保掌子面稳定，提出了玻纤锚杆超前加固与超前预加固桩加固两种措施，均能较好地稳定掌子面，抑制掌子面在开挖过程中挤出变形。

3.2超前预加固措施

干庆隧道第三系、第四系地层复合程度高，富水砂层分布无规律可寻，隧道设计重点应研究如何形成有效的开挖空间，即有效的超前预加固措施。针对不同地层情况，设计采用了超前预注浆加固措施和超前预加固咬合桩措施。

超前预注浆适用于拱部砂层厚度小于4 m，砂层空隙率较大，富水程度较高的2号斜井小里程端，配合超前大管棚及小导管支护，不仅有效避免了涌水涌砂与初期支护沉降收敛大变形甚至坍塌等风险，而且提高了施工进度，确保了施工安全，是适合类似地层的合理措施，并形成了一套独到的“排水降压、注浆加固、管棚支护”施工工艺(图6)。此施工方案工艺简单、成熟，具有推广价值。

超前预加固咬合桩适用于拱部砂层厚度大于4 m，砂层空隙率较小，可注性较差，富水程度较小的3号斜井大里程端，配合超前中管棚加筋支护，形成具有一定强度(0.5～8.0 MPa)的咬合桩体(图7)，改善了隧道拱部及边墙围岩特性，产生了较好的拱棚效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用，保证隧道开挖掘进安全。

图6　超前大管棚加固效果

图7　超前深层预加固咬合桩加固效果

4结论

国内外富水砂层隧道较多，但客运专线大断面隧道穿越第三系软弱富水复合地层并不多见。依托大西客运专线干庆隧道建设，提出了第三系软弱富水复合地层隧道掌子面位移控制及超前预加固设计关键技术，确保了隧道施工安全，提高了施工进度，对国内外类似工程有一定的借鉴意义，推广应用前景广阔。

参考文献：

[1]关宝树.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]徐长久.胡麻岭隧道第三系粉细砂岩段施工关键技术[J].国防交通工程与技术，2011(6)：55-58.

[3]于家宝.不同辅助方法在风积砂隧道施工中的应用[J].铁道标准设计，2005(5)：89-91.

[4]杨宏射.水平旋喷桩技术在兴旺峁隧道砂层加固施工中的应用[J].隧道建设，2010(1)：100-105.

[5]侯军红，曾青.大西客运专线上白隧道穿越粉细砂层超前支护方案探讨[J].铁道标准设计，2012(S1):12-14.

[6]陈五二.粉细砂地层隧道水平旋喷桩支护技术[J].铁道标准设计，2011(S):135-137.

[7]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[8]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

Study of Key Technologies in Design of Large Cross-section Tunnel through Rich Water Tertiary Complex Strata on Passenger Dedicated Line Yi Xing-fang

(The Third Railway Survey & Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Abstract：GanQing tunnel on Datong-Xi’an passenger dedicated line passes through the Quaternary and Tertiary strata of the Midwest regions in China, characterized by silty clay, sand, loess in random distribution with cystic water in sand layer. Sand and water gush occurred many times during the construction. In order to settle the problem, this paper puts forward tunnel face stability measures and advance pre-strengthening to effectively solve the problem and ensure construction safety.

Key words：Passenger dedicated line; Railway tunnel; Complex strata; Advance strengthening

中图分类号：U238； U452.2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.018

文章编号：1004-2954(2015)02-0073-03

作者简介：伊兴芳(1982—)，男，工程师，E-mail：sdsyixingfang@126.com。

收稿日期：2014-11-17； 修回日期：2014-12-07